EP0299091A1 - Light-signalling device - Google Patents
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- EP0299091A1 EP0299091A1 EP88901481A EP88901481A EP0299091A1 EP 0299091 A1 EP0299091 A1 EP 0299091A1 EP 88901481 A EP88901481 A EP 88901481A EP 88901481 A EP88901481 A EP 88901481A EP 0299091 A1 EP0299091 A1 EP 0299091A1
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- G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
- G08G1/00—Traffic control systems for road vehicles
- G08G1/09—Arrangements for giving variable traffic instructions
- G08G1/095—Traffic lights
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
- F21S41/00—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps
- F21S41/30—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by reflectors
- F21S41/32—Optical layout thereof
- F21S41/322—Optical layout thereof the reflector using total internal reflection
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- F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
- F21S43/00—Signalling devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. brake lamps, direction indicator lights or reversing lights
- F21S43/40—Signalling devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. brake lamps, direction indicator lights or reversing lights characterised by the combination of reflectors and refractors
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- F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F21V5/00—Refractors for light sources
- F21V5/008—Combination of two or more successive refractors along an optical axis
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- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B3/00—Simple or compound lenses
- G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
- G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens
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- F21W—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO USES OR APPLICATIONS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS
- F21W2111/00—Use or application of lighting devices or systems for signalling, marking or indicating, not provided for in codes F21W2102/00 – F21W2107/00
- F21W2111/02—Use or application of lighting devices or systems for signalling, marking or indicating, not provided for in codes F21W2102/00 – F21W2107/00 for roads, paths or the like
Definitions
- the invention relates to lighting technology, more precisely to light signal device.
- the present invention can be applied to directional light signaling devices that operate under conditions of outside exposure (sunlight and sky light and the like), i.e. in the traffic signal lights, especially in the vehicle direction indicators and brake lights, as well as in the traffic lights and railway light signals.
- Another possible area of application of the present invention includes light indicators of various uses.
- the visibility, recognizability of light signals at the time of day i.e. The likelihood of an error-free and rapid determination of whether a signal light (e.g. a traffic light) is on not only depends on its own light intensity, but also on the level of external exposure that produces light spots from its optical parts, which reduce the signal contrast and even from the observer recorded as wrong signals ("phantom effect").
- the light spots are possible in any direction, but the phantom effect is particularly disadvantageous in the informationally important directions (along the intrinsic radiation axis and in the directions close to this axis).
- a contrast light signal device is known (GB, A, 1591013) which contains a concave reflector with a light source in its focal point. To eliminate the phantom effect, the exit opening of the reflector is covered by a light-absorbing screen with fine holes, through which the useful radiation of the device is carried out with the aid of lenticular screens.
- the concave reflector of the light signal device can be both a specular reflector and a catadioptric reflector, i.e. be made of a transparent material in the form of prismatic elements with total reflection (GB-A No. 2069124).
- the catadioptric reflectors when used in the light signal devices as well as the mirror reflectors, require special measures to be taken to prevent exposure to the outside.
- a traffic signal device namely a traffic light (Ju. A. Kremenetz, MP Pechersky "Tekhnicheskie sredstva beforehand promrozhnogo dvizhenia”"Technical means for road traffic) regulation” /, 1921, publisher "Transport”, Lloskaa, SS. %% - 81), which contains a paraboloidal concave reflector (collimator) with a light source in its focal point as well as an external exposure radiation absorber in the form of black plates, which are located in the meridional collimator planes ("Anti-; phanton-Kreuzt ").
- These plates basically have unresolvable slots for the sub-ear of a light source, through which the outside rays of light pass in the vicinity of the kollimat or br en n point and after they have passed from the paraboloid Mirrors were blasted back, are blasted along the collimator axis together with the useful beams of the device.
- a light source through which the outside rays of light pass in the vicinity of the kollimat or br en n point and after they have passed from the paraboloid Mirrors were blasted back, are blasted along the collimator axis together with the useful beams of the device.
- the present invention has for its object to provide such a light signal device in which the reflector and the light beam absorber would be designed in such a way and arranged relative to one another that at any position of the external exposure sources a complete elimination of the light points caused by these sources in the Direction of the observation axis would be guaranteed.
- the object is achieved in that in a light signal device which contains a collimator with reflector, a light source arranged in the focal point of the collimator and a light beam absorber, the absorber surface cuts part of the beam of the collimator according to the invention, the reflector and the absorber being in one are mutually arranged in such a way that any focal beam, which is directed opposite to the focal beam incident on the reflector, is incident on the absorber.
- the construction of the light signal device proposed according to the invention makes it possible to eliminate the phantom effect and to suppress the light spots of the external exposure in the axial radiation directions independently of the external exposure direction. This is achieved in that only the useful radiation of the device can spread in the direction of the beam incident on the reflector of the collimator (and after the retroreflection along the axis of the same) because only the own radiation source on the optical-geometric line of this propagation of the device, while in the way of a possible spread of the external exposure rays in the same direction there is a corresponding decrease Sorber section is located.
- the reflector is designed in the form of a concave mirror, the mirror and the absorber forming a surface which comprises the light source from the side which is opposite to the light opening of the device.
- the construction of the device is simplest, because the design of the absorber and reflector in the form of a common surface which surrounds the light source allows them to be united with the inner surface of the device housing.
- the phantom effect can be eliminated not only in the axial, but also in any predetermined signal observation area that coincides, for example, with the useful scattering angle of the device. This is ensured by the fact that for an arbitrarily chosen point on the reflector the corresponding absorber section has sufficiently large angular dimensions (due to the distance of the cutting plane from the focal point).
- the plane intersects the light opening of the device, the front part of the absorber being concave in the direction of the reflecting mirror surface and by the light opening conceals the inner surface of the absorber.
- the construction of the device ensures various design options when executing a signal lantern on the streamlined structure of a means of transport.
- the device is particularly useful in the development of a signal light unit (for example a direction indicator) with other light devices (for example with a motor vehicle headlight) because it ensures the compactness of the individual components of this unit.
- the mirror is composed of parts separated by individual absorber sections, the surfaces of which are limited by the light opening of the device and the meridional planes.
- the device has a profiled configuration of the light opening that is important for informational purposes and can be used in the light indicators for special purposes.
- the reflector in the form of a concave mirror, which lies behind the focal plane of the collimator, while the absorber consists of two individual parts: an outer part which has the shape of a truncated conical surface which connects to the front edge of the reflector and adjoins widened towards the light opening of the device at an angle not exceeding the useful scattering angle, and also an inner part which has the shape of a cup which comprises the light source from the side of the light opening of the device.
- the device guarantees, thanks to a small reflector depth with a peripheral angle of up to 180 °, minimal axial dimensions at maximum (for the antiphantom light devices), utilization of the luminous flux supplied by the light source.
- the exit opening of the collimator can be covered by a protective glass - a light filter - the surface of which can be turned by rotating a parabolic branch around the device axis is formed, wherein the parabola axis extends over the generatrix of the conical absorber part, while the focal point and the pole of the parabola are each at the front and rear edge of the conical absorber.
- This embodiment ensures maximum avoidance of the phantom effect and the best contrast of the light signals in a strictly limited area of the observation directions, because in this area the light spots of the external exposure are not only eliminated by the reflector but also by the protective glass.
- This embodiment is expediently used in the light signals or traffic lights with a long range.
- the reflector is formed from a transparent material in the form of a total reflection surface, the absorber surface comprising the light source and the reflecting surface from the side which is opposite to the light opening of the device.
- the reflector also fulfills the functions of a light filter because it can be produced from a material that is colored in the color of the respective signal. In addition, there is no need to apply a mirror layer to the reflector.
- the reflector can be designed in the form of catadioptric rings, each of which has the profile of a prism wedge, which has a light-refracting entry surface, a total beam reflection surface and a light-refracting exit surface, the rings being located in front of the focal plane of the collimator and having such a profile that an optical-geometric beam, which connects two diametrically opposite points of the reflecting surface of the same ring, intersects this surface at an angle which is smaller than the total reflection angle.
- the light spots of the external exposure are not only in the axial but also in the lateral observation directions presses because the reflector surface lets the light shine through the black device housing in these directions. This allows such a scheme to be used in the light signal devices with a wide observation angle range, for example in the light signals or traffic lights of both large and small ranges.
- the catadioptric rings are formed on a paraboloidal base layer, the reflecting surface of each ring with its entry and exit surfaces forming an angle ⁇ which can be determined from the following formulas: where ⁇ means the angle between the collimator axis and the focal beam incident on the respective ring.
- the catadioptric rings forming the reflector are formed on a common base layer, which allows the reflector to be manufactured as a completely pressed part, thereby ensuring the manufacturing suitability of the device.
- the catadioptric rings have the same profile, which means the design and calculation of the optical scheme of the device and the manufacture of the pressing tool for the fully pressed. Simplified reflector.
- the blind reflector opening is covered from the side of the exit opening of the collimator by a disk-shaped converging lens, the connecting surfaces of the rings of which are parallel to the collimator axis.
- the brightness distribution at the outlet opening of the device is improved because a dark spot in the center is removed, but the efficiency is increased.
- the light spots from the connecting surfaces of the Fresnel rings of the lens mentioned are excluded at least in the axial directions.
- the collimator parts made of a transparent material can have neridional slots which are filled with a black dye.
- the additional light-absorbing sections located in the meridional planes contribute to the complete elimination of the light spots of the external exposure in the lateral directions thanks to the absorption of extra-meridional rays.
- the application of the slit Shaped light-absorbing sections simplifies the construction because these absorbing sections are not designed as separate parts.
- the cone angle of the reflecting reflector surface would be twice as small as the angle between the collimator axis and the optical axis of the ring lens profile and twice as large as the angle between the reflecting surface and the light-refracting surfaces of the catadioptric rings.
- the exit surfaces of the catadioptric rings of the reflector are parallel to the optical axis of the ring lens profile, the thickness of the reflector support layer and the width of the refractive surfaces of the catadioptric rings decreasing in the direction of the exit opening of the collimator.
- tadioptrischen rings of the device thanks to avoid light losses between the input surfaces of the k a maximum utilization of the luminous flux delivered by the light source, that is, a maximum efficiency of the device with a conical reflector katatioptrischen achieved.
- the light signal device (Fig. 1) contains a light source 1 (filament of an electric lamp), which is located in the focal point F of the collimator with an axis 00 '(it is also the device axis), which is designed in the form of a reflector 2, and one Light beam absorber 3.
- the absorber 3 is designed as a black light-absorbing surface, which extends outside the meridional plane at an angle to the focal rays (ie the rays emanating from the focal point F) by cutting part of the flow thereof and has such a shape and has such dimensions that any focal jet 4, which is directed opposite a focal jet 5, which is incident on the working surface of the reflector 2, falls on the surface of the absorber 3.
- the light opening SS ' is covered by a protective glass 6 which at the same time fulfills the functions of a light filter, the central part of which can be embodied in the form of a collecting lens 7 which covers the blind collimator opening, which is cut off by cutting the tip of the paraboloid mirror 2 through the plane VV'. arose.
- the device works in the following way.
- the light rays 8, which are emitted by the source 1 and are incident on the reflector 2, are reflected and through a light opening SS '(to obtain the required color thanks to the passage through the light filter 6) along the collimator axis 00' (the informational most important direction) as a useful light signal.
- a part of the signal luminous flux is generated by rays 9 of the source 1 after refraction by the lens 7. This eliminates a dark spot in the center of the light opening SS '.
- the outside exposure rays 10 (for example from motor vehicle headlights) that fall onto the reflector along axis 00 'are reflected by it in the direction of the focal point F in accordance with the law of reversibility of the optical-geometric beam path and either from source 1 (from the filament) or absorbed by the portion of the absorber 3 that lies behind the light source opposite the reflection point of the beam 10.
- the external exposure rays 11, which reach the reflector 2 at an angle to the axis 00 '(for example rays of sunlight or sky light), are likewise either reflected on the absorber 3 or pass through the light opening SS' after a series of internal reflections in the device.
- the main direction of observation for the signals of the device along the emission axis 00 'thereof is protected against the light spots caused by the external exposure, regardless of the size of the angle at which the external sources irradiate the reflector 2.
- the creation of such light spots is only possible if the signal observation line deviates in angle from the axis 00 '. In the event of a slight deviation, they arise from the zones of the reflector 2 which adhere to the blind opening thereof lie.
- the converging lens 7 deflects a considerable part of the light spots from the axis 00 ', but with high optical power the probability of the light spots arising from the lens itself increases.
- the section plane VV ' is for this purpose at a distance V from the focal point F, which distance V is determined according to the following formula; where g is the distance from the focal point F to the most distant point of a curve reflecting and separating the absorbent surfaces.
- the required expansion of the useful radiation scattering angle (up to the amount ⁇ ) is achieved either by finite dimensions of the filament 1 or by a reduction in the optical power of the lens 7 or by light-scattering elements 12 provided on the scanning glass 6 or on the reflector 2 itself guaranteed.
- the scatter inside half of the angle ⁇ can also be achieved by deviating the surface of the specular reflector 2 from the exact paraboloid, for which purpose its meridional profile should include sections which differ from the parabolic confocal with the device by an angle of the order of differ. If the parabolic profile near the level VV 'is disturbed, the amount of V can be greater or less than the value given in formula (1).
- the function of the device gains the following special features.
- the beams 8 and 9 emitted by the source 1 are emitted by the collimator within the useful scattering angle ⁇ along the axis 00 '.
- the external exposure beams 10, which are incident on an arbitrarily selected point C of the device reflector within the angle ⁇ , are absorbed in the vicinity of a corresponding point P of the absorber 3.
- the rays 11 from external sources, which run at an angle greater than ⁇ with respect to the axis 00 ', can avoid striking the absorber 3 after a series of reflections, but their light spots are directed at angles which exceed the amount ⁇ .
- the proposed device scheme can be designed for any predetermined range of informationally important directions in such a way that it will always ensure the suppression of the light spots caused by the external exposure in these directions, regardless of how differently the external exposure sources are arranged with respect to the device axis 00 " would be.
- the angle ⁇ between the axis 00 'and the section plane VV' can be as small as desired (and even zero), the position of the light opening SS 'and the shape of the protective glass 6 can also be different, so that the plane VV' is cut with the surface of the light opening of the device is possible. ie the light opening SS 'can be partially adjacent to the reflector 2 and partially to the absorber 3. This variant is shown in axial section and in the front view in FIGS. 2 and 3, respectively.
- the blind opening in the reflector 2 (ie the inner part of the absorber 3, which is visible along the axis 00 ') is in this Case expediently not covered by a lens, but by the front part of the absorber 3 which is bent against the reflecting surface, which allows the lantern dimensions to be reduced, the light opening SS '(FIG. 3) taking on an original crescent shape.
- a different inclination of the cutting plane VV 'with different inclinations and shape of the light opening SS' ensures wide design options when designing signal lights of streamlined design, which are intended for fastening to complicatedly shaped parts of means of transport.
- the collimator of the device can consist of individual isolated mirrors and have a light opening of complicated shape, for example isolated zones of the reflector 2 can be delimited by meridional planes. 4, 5, a light signal device is shown in axial section and in front view, the reflector 2 of which consists of three zones of a mirror paraboloid, which are separated from one another by three meridional planes 15, which are along the axis 00 'at a multiple of 60 ° intersect each other.
- the spaces between the zones of the reflector 2 and between the zones of the light opening SS ', which lie perpendicular to the axis 00' with respect to the zones of the reflector 2 and are covered by individual sections of the light filter 6, are designed as light-absorbing zones 3, with the zones of the reflector 2 form a surface which comprises the light source 1 from the side which is opposite to the light opening.
- the beam 8 of the light source 1 is incident on the reflector 2 and is passed through the light opening SS ' broadcast.
- the light opening (Fig. 5) has the characteristic shape of the sign "Caution! Radiation", which determines the possible application of the light signal device described.
- Other informationally important forms of light opening that are characteristic of various light indicators, for example pedestrian traffic lights, are also possible, the position and shape of the reflecting and light-absorbing zones inside the device having to be coordinated with the shape of the light opening SS '.
- the filament 1 of an electric lamp 16 is located in the focal point F of a facet reflector 2, which mainly consists of flat mirrors with an angular dimension ⁇ with respect to the point F on the paraboloidal base body.
- the focal plane runs in front of the reflector 2; the peripheral angle of the reflector 2 can reach 180 ° if its peripheral mirrors 17 have the profile of a parabola 18 in the meridional plane, the focal point B of which lies at the aperture limit of the reflector 2, while the axis BB 'is at an angle ⁇ to the axis 00' of the device and cuts this in front of the light opening SS 'of this device.
- the absorber 3 consists of a cut-off cone 19 with a height H> D / 4 and a cone angle ⁇ , the smaller diameter of which bears against the edge of the reflector 2, and an absorption cup 20 which comprises the light source 1 with a circumferential angle of 180 °.
- the diameter d of the cup is chosen on the condition that the straight line AC, which runs through the front edge of the cone 19 and the (rear) edge of the cup, the mirror 2 at an angle to the direction (out of the intersection point C) intersects at the focal point F, which angle is not less than ⁇ , whereby, among others, a value is permissible that results from the following equations can be determined: where ⁇ ' ⁇ ⁇ / 2 and means the angular deviation of the reflector 2 from the paraboloid, which is considered acceptable in the vicinity of point C.
- the protective glass 6, which at the same time fulfills the functions of a light filter, has a rotating surface shape which was created by rotating one of the branches of a parabola 21 (about the axis of rotation 00 'of the device), the axis AB of which along the generatrix of the cone 19 (at an angle) ⁇ to the axis 00 '), while the focal point A and the pole B lie on the front and rear edge of the same.
- the protective glass 6 does not protrude beyond the front edge of the absorber 3, which is considered here as a housing part, in accordance with the relationship which improves the mechanical properties of the device.
- the protective glass 6 can have a simpler, conical shape, but this leads to an increase in the axial dimensions of the device and the Fresnel useful beam loss.
- the device (Fig. 6) operates in the following way.
- the rays 8 of the source 1 incident on the reflector 2 are emitted in the informationally important directions.
- the facet reflector 2 ensures a uniform glow over the light opening surface in any direction within a range ⁇ ⁇ .
- the external exposure rays 10, which with the Ach se 00 'form a smaller angle, are reflected by the mirror 2 onto the surface of the absorber 3 according to the device construction.
- the outer rays 11, which form an angle greater than ⁇ with the axis 00 ', are either reflected at angles greater than Kir to the axis 00', ie outside the area of the informationally important directions, or are also absorbed inside the device.
- the device according to FIG. 6 ensures, with relatively small axial dimensions, a maximum efficiency (for the antiphantom devices) (up to 50%) as well as the elimination of the phantom effect in a strictly limited area of the informationally important directions.
- a preferred area of application is light signals of medium and long range.
- the collimator of the light signal device which in the variants described above (FIGS. 1 to 6) represented a specular reflector 2, ie was produced by applying an opaque metallic coating to the optically smooth surface, can be designed in the form of a catadioptric reflector, namely from a transparent material of any color in the form of prismatic elements with total reflection.
- This version eliminates the need for a game gel layer and gives this reflector the function of a light filter (by producing it from a material colored in the color of the respective signal), and the catadioptric reflector also allows the outside exposure brightness to be reduced at large angles to the device axis.
- the 7 consists of a light source 1, which is located in the focal point F on the axis 00 'of the device, a catadioptric reflector 2, which ensures total reflection of the focal rays onto the outlet opening SS', and a light beam absorber 3, which is on
- the inner surface of the device housing is designed and includes both the source 1 and the reflector 2 from the side, which is opposite to the outlet opening SS '.
- the reflector 2 consists of catadioptric rings 23 which are circularly symmetrical with respect to the axis 00 'and are embodied on a common base layer which widens in the direction of the light opening SS'. Each ring 23 has the profile of a prism wedge (FIG.
- the reflector 2 (more precisely its working area) has a blind opening, the plane VV 'of which lies in the focal plane of the collimator or somewhat in front of it, at a distance V from it. The entire light-reflecting surface of the collimator is thus arranged in front of its focal plane.
- each ring 23 corresponds to that in Fig. 8 explained condition: the normal NN 'to the surface 25 of the ring 23 should have an angle ⁇ which is not smaller than the total reflection critical angle with the focal beam 5 (ie the beam of the source 1 after its refraction through the surface 24) and a smaller than the critical angle Angle ⁇ with the beam that connects two diametrically opposite points on the reflecting surface of the ring 23 (also taking into account the change of direction on the light-refracting surfaces), according to the relationship where n is the refractive index of the material of the catadioptric ring 23.
- the fulfillment of the condition (4) excludes the possibility of a double reflection from the reflector 2, at least for the meridional rays, but the simple reflection of the external exposure rays leads to the incidence of the same on the absorber 3 in the zone of the blind opening or in a zone that includes the reflector 2.
- the catadioptric reflector 2 of the device of FIG. 7 is designed on the paraboloidal base layer with the tip cut off by the plane VV ', which base layer lies coaxially and confocal with the collimator.
- the light-refractive surfaces 24 and 26 form an equal angle ⁇ with the reflecting surface, which has a paraboloidal profile, which can be selected within fairly wide limits for the rings 23 located away from the focal plane in accordance with the relationship (4).
- ⁇ means the angle between the focal beam 23 incident on the catadioptric ring 23 and the axis 00 'corresponds to the total limit reflection angle for all focal beams, this value ⁇ being optimal for suppressing the external exposure, but with considerable losses of the useful radiation between the adjacent entrance surfaces related.
- the profile of this end face is designed in the form of an acute-angled wedge 27, the surfaces of which form an angle of the order of 25 ° and less with the axis 00 '.
- the collimator of the device can include a converging lens 7, which covers the blind opening of the reflector 2 and is recessed inside the same.
- the connecting surfaces 29 of these rings must be parallel to the axis 00 '.
- This embodiment of the lens 7 excludes the light spots from the connecting surfaces 29 at least in the axial direction.
- the exit opening of the collimator is covered by the protective glass 6, which can be colorless if the reflector 2 and the lens 7 are made of a material colored according to the signal color.
- the protective glass 6 can contain scattering elements 12.
- the rays 9 coming from the source 1, which are refracted by the lens 7, make up a smaller part of the collimator luminous flux.
- the outer beam 11 is not in the meridional plane, then depending on the degree of deviation thereof and the size of the angle ⁇ at the points of fall of the beam onto the reflector 2 and depending on the curvature of the catadioptric ring 23, it can experience more than one reflection and emerge through the light opening SS 'at a certain angle to the radiation axis 00'. Such rays are mostly suppressed by the meridional absorption plates.
- meridional slots 30 can be provided in the construction of the catadioptric reflector 2 (and other collimator elements made of transparent material, in which the focal beam does not leave the plane of the axis 00 '), which slots are filled with a black dye 9, where the reflector 2 of the device according to FIG. 7 is shown from that of the blind opening.
- the dye should be in optical contact with the material of the reflector 2, i.e. prevent total reflection from the inner surface of the slot (since this would otherwise only result in damage and no use).
- the blind opening of the conical reflector 2, the edge of which lies practically on the inner edge of the exit surface 26 of the first catadioptric ring 23 from the focal plane (FIG. 11), can be covered by an additional absorber or a converging lens 7.
- the lens 7 can be combined with the colorless spreader 6 in the case of a colorless reflector 2, and the required signal color is achieved by using a light filter 33 in the form of a cap that surrounds the light source 1 from the front. 10, the ring-shaped lens 31 is combined with the side surface of the light filter 33.
- annular lens 31 with a conical reflector 2 simplifies the manufacture of the pressing tool required for the manufacture of the reflector 2 and enables an increase in the efficiency of the luminous flux coming from the light source 1 with limited axial dimensions of the device.
- the scheme of Fig. 7 is preferably intended for medium and long range light signals; 10 and 11 are preferably applied in the traffic signal lights.
- the present invention may be applied in light signal devices directed effect that under conditions of Au ⁇ enbelichtung (sun and sky light, as well as other sources) function, that is, tung indicators and brake lights, as well as in traffic lights and railway light signals in the traffic signal lights, for example in automotive F a hrtrich- .
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Abstract
Un dispositif de signalisation lumineuse du type ''anti-reflets fictifs'' comprend un collimateur avec un réflecteur (2), une source de lumière (10) située dans le foyer (F) du collimateur, et un absorbeur de faisceaux lumineux (3). Le réflecteur (2) et l'absorbeur (3) sont orientés l'un par rapport à l'autre de telle manière qu'un faisceau focal (4) dirigé de manière opposée à un faisceau focal (5) tombant sur le réflecteur (2), tombe sur l'absorbeur (3). Le réflecteur (2) peut être du type miroir ou peut être constitué d'anneaux catadioptriques (32) à réflexion interne totale. Le dispositif exclut l'effet des signaux fictifs résultant de la lumière extérieure et augmente le contraste des signaux lumineux pendant la journée.A light signaling device of the "fictitious anti-reflective" type comprises a collimator with a reflector (2), a light source (10) located in the focal point (F) of the collimator, and a light beam absorber (3 ). The reflector (2) and the absorber (3) are oriented relative to each other so that a focal beam (4) directed opposite to a focal beam (5) falling on the reflector ( 2), falls on the absorber (3). The reflector (2) can be of the mirror type or can consist of catadioptric rings (32) with total internal reflection. The device excludes the effect of fictitious signals resulting from outside light and increases the contrast of light signals during the day.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Lichttechnik, genauer auf Lichtsignalgerät.The invention relates to lighting technology, more precisely to light signal device.
Am effektivsten kann die vorliegende Erfindung in Lichtsignalgeräten gerichteter Wirkung angewendet werden, die unter Bedingungen einer Außenbelichtung (Sonnen- und Himmelslicht u.ä.) funktionieren, d.h. in den Verkehrssignallichtern, insbesondere in den Kfz.-Fahrtricntungs- anzeigern und Bremslichtern, sowie in den -Verkehrsampeln und Eisenbahnlichtsignalen.Most effectively, the present invention can be applied to directional light signaling devices that operate under conditions of outside exposure (sunlight and sky light and the like), i.e. in the traffic signal lights, especially in the vehicle direction indicators and brake lights, as well as in the traffic lights and railway light signals.
Zu einem weiteren möglichen Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung gehören Lichtanzeiger verschiedener Zweckbestimmung.Another possible area of application of the present invention includes light indicators of various uses.
Die Sichtbarkeit, Erkennbarkeit von Lichtsignalen zu der Tageszeit, d.h. die Wahrscheinlichkeit einer fehlerfreien und raschen Feststellung, ob ein Signallicht (beispielsweise eine Verkehrsampel) brennt, hängt nicht nur von seiner eigenen Lichtstärke, sondern auch vom Niveau der Außenbelichtung ab, die Lichtstellen von seinen optischen Teilen erzeugt, welche den Signalkontrast herabsetzen und vom Beobachter sogar als falsche Signale ("Phantom-Effekt") aufgenommen werden. Die Lichtstellen sind in beliebigen Richtungen möglich, doch besonders nachteilig ist der Phantom-Effekt in den informationell bedeutsamen Richtungen (entlang der Eigenstrahlungsachse und in den zu dieser Achse nahen Richtungen). In den stationären Lichtsignaleinrichtungen (Verkehrsampeln, Eisenbahnlichtsignale) sind zur Bekämpfung des Phantom-Effektes Lichtschutzsohirme verwendet, die bei niedriger Sonnenlage wenig effektiv sind und die Abmessungen der Einrichtung vergrößern. In den Verkehrssignallichtern, wo die Anwendung von Lichtschutzschirmen erschwert ist, wird der erforderliche Kontrastgrad dank einer relativ hohen Lichtstärke erreicht. Die Zunahme der Anforderungen an die Verkehrssicherheit bewirkt die Einführung von erhöhten Normen für die Lichtstärke der Signallichter, was aber dazu führt, daß diese Lichter zu dunkler Tageszeit blendend wirken. Zur Zeit sind optische Schaltungen bekannt, wo der Phantom-Effekt durch rechtThe visibility, recognizability of light signals at the time of day, i.e. The likelihood of an error-free and rapid determination of whether a signal light (e.g. a traffic light) is on not only depends on its own light intensity, but also on the level of external exposure that produces light spots from its optical parts, which reduce the signal contrast and even from the observer recorded as wrong signals ("phantom effect"). The light spots are possible in any direction, but the phantom effect is particularly disadvantageous in the informationally important directions (along the intrinsic radiation axis and in the directions close to this axis). In the stationary light signaling devices (traffic lights, railway light signals), light protection parasols are used to combat the phantom effect, which are not very effective in low sun conditions and enlarge the dimensions of the device. In traffic signal lights, where the use of light shields is difficult, the required degree of contrast is achieved thanks to a relatively high light intensity. The increasing demands on traffic safety lead to the introduction of higher standards for the light intensity of the signal lights, but this leads to the fact that these lights appear dazzling at dark times of the day. At present, optical circuits are known where the phantom effect is right
kostspielige (bei der Massenproduktion) Mittel beseitigt ist, was deren allgemeine Anwendung verhindert.expensive (in mass production) means is eliminated, which prevents their general application.
Es ist ein Kontrast-Lichtsignalgerät bekannt (GB,A, 1591013), das einen Konkavreflektor mit einer Lichtguelle in dessen Brennpunkt enthält. Zur Beseitigung des Phantom-effektes ist die Austr ittsöffnung des Reflektors von einem lichtabsorbierenden Schirm mit feinen Löchern verdeckt, über welche die Nutzstrahlung des Gerätes mit Hilfe von Linsenrastern erfolgt.A contrast light signal device is known (GB, A, 1591013) which contains a concave reflector with a light source in its focal point. To eliminate the phantom effect, the exit opening of the reflector is covered by a light-absorbing screen with fine holes, through which the useful radiation of the device is carried out with the aid of lenticular screens.
Die Inee eines lichtabsorbierenden Schirmes mit lichtleitenden Löchern liegt auch vielen späteren Erfindungen (SU-A Nr. 1173128) zugrunde, aber für ihre praktische Anwendung muß man einige technologische Schwierigkeiten überwinden, die mit der Herstellung von gelochten Schirmen und Rastern zusammenhängen.The invention of a light-absorbing screen with light-guiding holes is also the basis of many later inventions (SU-A No. 1173128), but for its practical application one has to overcome some technological difficulties which are associated with the production of perforated screens and grids.
Der Konkavflektor des Lichtsignalgerätes kann sowohl ein Spiegelreflektor wie auch ein katadioptrischer Reflektor, d.h. aus einem transparenten Material in Gestalt von prismatischen Elementen mit Totalreflexion ausgeführt sein (GB-A Nr. 2069124). Die katadioptrischen Reflektoren setzen bei deren Anwendung in den Lichtsignaleinrichtungen wie auch die Spiegelreflektoren die Durchführung von besonderen Maßnahmen gegen die Aul3enbelichtung voraus.The concave reflector of the light signal device can be both a specular reflector and a catadioptric reflector, i.e. be made of a transparent material in the form of prismatic elements with total reflection (GB-A No. 2069124). The catadioptric reflectors, when used in the light signal devices as well as the mirror reflectors, require special measures to be taken to prevent exposure to the outside.
Der angemeldeten Lösung am nächsten kommt nach seinem technischen Wesen ein Lichtsignalgerät gerichteter Wirkung, und zwar eine Verkehrsampel (Ju. A. Kremenetz, M.P. Pechersky "Tekhnicheskie sredstva regulirovania dorozhnogo dvizhenia" "Technische Mittel für die Straßenverkehrs- ) regulung"/, 1921, Verlag "Transport", Lloskaa, SS. %%-81), das einen paraboloidischan Konkavreflektor (Kollimator) mit einer Lichtquelle in dessen Brennpunkt sowie einen Außenbelichtungsstrahlenabsorber in Form schwarzer Platten enthalt, die in den meridionalen Kollimatorebenen liegen("Anti- ; phanton-Kreuzt"). Diese Platten besitzen grundsätzlich unbeseitigbar e Schlitze zur Unterhringuig einer Lichtquelle, durch welche die Außenbenlicht ungsstrahlen in der Nähe des Ko llimat or br en n-punktes hindurchgehen und, nachdem sie vom paraboloidischen Spiegel zurückgestrahlt wurden, entlang der Kollimatorachse gemeinsam mit den Nutzstrahlen des Gerätes abgestrahlt werden. Somit ist das erwähnte Lichtsignalgerät, indem es die Lichtstellen der Außenbelichtung in den seitlichen Richtungen beseitigt, gegen die Außenbelichtung in den informationell äußerst bedeutsamen, der Gerätachse nahen Richtungen praktisch nicht geschützt.In terms of its technical nature, the registered solution comes closest to a traffic signal device, namely a traffic light (Ju. A. Kremenetz, MP Pechersky "Tekhnicheskie sredstva regulirovania dorozhnogo dvizhenia""Technical means for road traffic) regulation" /, 1921, publisher "Transport", Lloskaa, SS. %% - 81), which contains a paraboloidal concave reflector (collimator) with a light source in its focal point as well as an external exposure radiation absorber in the form of black plates, which are located in the meridional collimator planes ("Anti-; phanton-Kreuzt "). These plates basically have unresolvable slots for the sub-ear of a light source, through which the outside rays of light pass in the vicinity of the kollimat or br en n point and after they have passed from the paraboloid Mirrors were blasted back, are blasted along the collimator axis together with the useful beams of the device. Thus, by eliminating the light spots of the external exposure in the lateral directions, the aforementioned light signal device is practically not protected against the external exposure in the informationally important directions close to the device axis.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Lichtsignalgerät zu schaffen, in dem der Reflektor und der Lichtstrahlenabsorber auf eine solche Weise ausgeführt und relativ zueinander angeordnet wären, daß bei einer beliebigen Lage der Außenbelichtungsquellen eine vollkommene Beseitigung der von diesen Quellen bedingten Lichtstellen in der Richtung der Beobachtungsachse gewährleistet wäre.The present invention has for its object to provide such a light signal device in which the reflector and the light beam absorber would be designed in such a way and arranged relative to one another that at any position of the external exposure sources a complete elimination of the light points caused by these sources in the Direction of the observation axis would be guaranteed.
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem Lichtsignalgerät, das einen Kollimator mit Reflektor, eine im Brennpunkt des Kollimators angeordnete Lichtquelle, sowie einen Lichtstrahlenabsorber enthält, erfindungsgemäß die Absorberoberfläche einen Teil der Brennstrahlen des Kollimators schneidet, wobei der Reflektor und der Absorber auf eine solche Weise gegenseitig angeordnet sind,daß ein beliebiger Brennstrahl, der entgegengesetzt zum auf den Reflektor einfallenden Brennstrahl gerichtet ist, auf den Absorber einfällt.The object is achieved in that in a light signal device which contains a collimator with reflector, a light source arranged in the focal point of the collimator and a light beam absorber, the absorber surface cuts part of the beam of the collimator according to the invention, the reflector and the absorber being in one are mutually arranged in such a way that any focal beam, which is directed opposite to the focal beam incident on the reflector, is incident on the absorber.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Konstruktion des Lichtsignalgerätes gestattet es, den Phantom-Effekt zu beseitigen und die Lichtstellen der Außenbelichtung in den axialen Strahlungsrichtungen unabhängig von der Außenbelichtungsrichtung zu unterdrücken. Dies wird dadurch erreicht, daß in der Richtung des auf den Reflektor des Kollimators einfallenden (und nach der Rückstrahlung entlang der Achse desselben laufenden) Strahls sich nur die Nutzstrahlung des Gerätes ausbreiten kann, weil auf der optisch-geometrischen Linie dieser Ausbreitung nur die eigene Strahlungsquelle des Geräts liegt, während sich im Wege der eventuell möglichen Ausbreitung der Außenbelichtungsstrahlen in der gleichen Richtung ein entsprechender Absorberabschnitt befindet.The construction of the light signal device proposed according to the invention makes it possible to eliminate the phantom effect and to suppress the light spots of the external exposure in the axial radiation directions independently of the external exposure direction. This is achieved in that only the useful radiation of the device can spread in the direction of the beam incident on the reflector of the collimator (and after the retroreflection along the axis of the same) because only the own radiation source on the optical-geometric line of this propagation of the device, while in the way of a possible spread of the external exposure rays in the same direction there is a corresponding decrease Sorber section is located.
Gemäß einer der Ausführungsformen der Erfindung ist der Reflektor in Gestalt eines Konkavspiegels ausgebildet, wobei der Spiegel und der Absorber eine Oberfläche bilden, welche die Lichtquelle von der Seite her umfaßt, die zur Lichtöffnung des Gerätes entgegengesetzt liegt.According to one embodiment of the invention, the reflector is designed in the form of a concave mirror, the mirror and the absorber forming a surface which comprises the light source from the side which is opposite to the light opening of the device.
Bei dieser Ausführungsform ist die Konstruktion des Gerätes am einfachsten, weil die Ausbildung des Absorbers und Reflektors in Gestalt einer gemeinsamen, die Lichtquelle umfassenden Oberfläche gestattet, sie mit der Innenfläche des Gerätgehäuses zu vereinigen.In this embodiment, the construction of the device is simplest, because the design of the absorber and reflector in the form of a common surface which surrounds the light source allows them to be united with the inner surface of the device housing.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Konkavspiegel durch die Lichtöffnung des Gerätes und eine Ebene begrenzt, die die Kollimatorachse vor dem Kollimatorbrennpunkt unter einem beliebigen Winkel schneidet, wobei zumindest der an die Ebene anschließende Spiegelteil ein parabolisches, mit dem Kollimator konfokales Profil besitzt, während die Ebene in einem Abstand vom Brennpunkt liegt, der nach einer folgenden Formel ermittelt wird:
- V - Abstand zwischen Brennpunkt und Ebene;
- g - maximaler Abstand vom Brennpunkt bis zu der Linie, die die Oberflächen des Spiegels und Absorbers trennt;
- ξ- Nutzstreuwinkel des Gerätes.
- V - distance between focal point and plane;
- g - maximum distance from the focal point to the line separating the surfaces of the mirror and absorber;
- ξ- useful scattering angle of the device.
In dieser Ausführungsform der Erfindung kann der Phantom-Effekt nicht nur im axialen, sondern auch in einem beliebigen vorbestimmten Signalbeobachtungsbereich beseitigt werden, der beispielsweise mit dem Nutzstreuwinkel des Gerätes zusammenfällt. Dies wird dadurch gewährleistet, daß für einen beliebig gewählten Punkt am Reflektor der ihm entsprechende Absorberabschnitt ausreichend große (durch den Abstand der Schnittebene vom Brennpunkt bedingte) Winkelabmessungen besitzt.In this embodiment of the invention, the phantom effect can be eliminated not only in the axial, but also in any predetermined signal observation area that coincides, for example, with the useful scattering angle of the device. This is ensured by the fact that for an arbitrarily chosen point on the reflector the corresponding absorber section has sufficiently large angular dimensions (due to the distance of the cutting plane from the focal point).
In der vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung schneidet die Ebene die Lichtöffnung des Gerätes, wobei der Vorderteil des Absorbers in Richt ung der reflektierenden Spiegeloberfläche konkav ist und seitens der Lichtöffnung die Innenfläche des Absorbers verdeckt.In the preferred embodiment of the invention, the plane intersects the light opening of the device, the front part of the absorber being concave in the direction of the reflecting mirror surface and by the light opening conceals the inner surface of the absorber.
Die Konstruktion des Gerätes gewährleistet in dieser Ausführungsform verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten beim Ausführen einer Signallaterne am stromlinienförmigen Aufbau eines Verkehrsmittels. Das Gerät ist bei der Entwicklung einer Signallichteinheit (beispielsweise eines Fahrtrichtungsanzeigers) mit anderen Lichtgeräten (beiepielsweise mit einem Kfz.-Scheinwerfer) besonders nützlich, weil es die Kompaktheit der einzelnen Bestandteile dieser Einheit gewährleistet.In this embodiment, the construction of the device ensures various design options when executing a signal lantern on the streamlined structure of a means of transport. The device is particularly useful in the development of a signal light unit (for example a direction indicator) with other light devices (for example with a motor vehicle headlight) because it ensures the compactness of the individual components of this unit.
Möglich ist ferner eine Ausführungsform, bei der der Spiegel aus durch einzelne Absorberabschnitte getrennten Teilen zusammengesetzt ist, deren Oberflächen durch die Lichtöffnung des Gerätes und die meridionalen Ebenen begrenzt sind.An embodiment is also possible in which the mirror is composed of parts separated by individual absorber sections, the surfaces of which are limited by the light opening of the device and the meridional planes.
Das Gerät besitzt in dieser Auaführungsform eine profilierte informationell bedeutsame Konfiguration der Lichtöffnung und kann in den Lichtanzeigern spezieller Zweckbestimmung angewendet werden.In this embodiment, the device has a profiled configuration of the light opening that is important for informational purposes and can be used in the light indicators for special purposes.
Besonders zweckmäßig ist, den Reflektor in Gestalt eines Konkavspiegels auszuführen, der hinter der Brennebene des Kollimators liegt, während der Absorber aus zwei einzelnen Teilen besteht: einem Außenteil, der die Form einer abgeschittenen kegeligen Fläche besitzt, welche an den Vorderrand des Reflektors anschließt und sich gegen die Lichtöffnung des Gerätes hin unter einem den Nutzstreuwinkel nicht übersteigenden Winkel verbreitert, sowie einem Innenteil, der die.Form eines Bechers besitzt, der die Lichtquelle von der Seite der Lichtöffnung des Gerätes her umfaßt.It is particularly expedient to design the reflector in the form of a concave mirror, which lies behind the focal plane of the collimator, while the absorber consists of two individual parts: an outer part which has the shape of a truncated conical surface which connects to the front edge of the reflector and adjoins widened towards the light opening of the device at an angle not exceeding the useful scattering angle, and also an inner part which has the shape of a cup which comprises the light source from the side of the light opening of the device.
Das Gerät gewährleistet in dieser Ausführungsform dank einer geringen Reflektortiefe mit einem Umfassungswinkel von bis 1800 minimale axiale Abmessungen bei maximaler (für die Antiphantom-Lichtgeräte) ,Ausnutzun.g des von der Lichtquelle gelieferten Lichtstroms.In this embodiment, the device guarantees, thanks to a small reflector depth with a peripheral angle of up to 180 °, minimal axial dimensions at maximum (for the antiphantom light devices), utilization of the luminous flux supplied by the light source.
Die Austrittsöffnung des Kollimators kann durch ein Schutzglas - ein Lichtfilter - verdeckt sein, dessen Oberfläche durch Drehung eines Parabelzweiges um die Gerätachse gebildet ist, wobei die Parabelachse über die Erzeugende des kegeligen Absorberteiles verläuft, während der Brennpunkt und der Pol der Parabel jeweils am vorderen bzw. hinteren Rand des kegeligen Absorbers liegen.The exit opening of the collimator can be covered by a protective glass - a light filter - the surface of which can be turned by rotating a parabolic branch around the device axis is formed, wherein the parabola axis extends over the generatrix of the conical absorber part, while the focal point and the pole of the parabola are each at the front and rear edge of the conical absorber.
Diese Ausführungsform gewährleistet eine maximal vollständige Vermeidung des Phantom-Effektes sowie einen besten Kontrast der Lichtsignale in einem streng begrenzten Bereich der Beobachtungsrichtungen, weil in diesem Bereich die Lichtstellen der Auβenbelichtung nicht nur vom Reflektor, sondern auch vom Schutzglas beseitigt werden. Diese Ausführungsform wird zweckmäßigerweise in den Lichtsignalen bzw. Verkehrsampeln großer Reichweite angewendet.This embodiment ensures maximum avoidance of the phantom effect and the best contrast of the light signals in a strictly limited area of the observation directions, because in this area the light spots of the external exposure are not only eliminated by the reflector but also by the protective glass. This embodiment is expediently used in the light signals or traffic lights with a long range.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Reflektor aus einem transparenten Werkstoff in Form einer Totalreflexionsfläche ausgebildet, wobei die Absorberoberfläche die Lichtquelle und die reflektierende Oberfläche von der Seite her umfaßt, die zur Lichtöffnung des Gerätes entgegengesetzt ist.In a further embodiment of the invention, the reflector is formed from a transparent material in the form of a total reflection surface, the absorber surface comprising the light source and the reflecting surface from the side which is opposite to the light opening of the device.
In dieser Ausführungsform der Erfindung erfüllt der Reflektor auch die Funktionen eines Lichtfilters, weil er aus einem Werkstoff hergestellt werden kann, der in der Farbe des jeweiligen Signals gefärbt ist. Darüber hinaus entfällt die Notwendigkeit der Auftragung einer Spiegelschicht auf den Reflektor.In this embodiment of the invention, the reflector also fulfills the functions of a light filter because it can be produced from a material that is colored in the color of the respective signal. In addition, there is no need to apply a mirror layer to the reflector.
Der Reflektor kann in Form von katadioptrischen Ringen ausgeführt sein, von denen ein jeder das Profil eines Prismenkeils besitzt, das eine lichtbrechende Eintrittsfläche, eine Brennstrahl-Totalreflexionsfläche sowie eine lichtbrechende Austrittsfläche aufweist, wobei die Ringe der Brennebene des Kollimators vorgelagert sind und ein solches Profil haben, daß ein optisch-geometrischer Strahl, der zwei diametral entgegengesetzte Punkte der reflektierenden Oberfläche ein und desselben Ringes verbindet, diese Oberfläche unter einem Winkel schneidet, der kleiner als der Totalreflexionswinkel ist.The reflector can be designed in the form of catadioptric rings, each of which has the profile of a prism wedge, which has a light-refracting entry surface, a total beam reflection surface and a light-refracting exit surface, the rings being located in front of the focal plane of the collimator and having such a profile that an optical-geometric beam, which connects two diametrically opposite points of the reflecting surface of the same ring, intersects this surface at an angle which is smaller than the total reflection angle.
In dieser Ausführungsform des Gerätes werden die Lichtstellen der Außenbelichtung nicht nur in den axialen, sondern auch in den seitlichen Beobachtungsrichtungen unterdrückt, weil die Reflektoroberfläche in diesen Richtungen das Licht auf das schwarze Gerätgehäuse hindurchleuchten läßt. Dies gestattet, ein solches Schema in den Lichtsignalgeräten mit einem weiten Beobachtungswinkelbereich anzuwenden, so beispielsweise in den Lichtsignalen bzw. Verkehrsampeln sowohl großer wie auch kleiner Reichweite.In this embodiment of the device, the light spots of the external exposure are not only in the axial but also in the lateral observation directions presses because the reflector surface lets the light shine through the black device housing in these directions. This allows such a scheme to be used in the light signal devices with a wide observation angle range, for example in the light signals or traffic lights of both large and small ranges.
Gemäß einer der Ausführungsformen der Erfindung sind die katadioptrischen Ringe auf einer paraboloidischen Tragschicht ausgebildet, wobei die reflektierende Oberfläche eines jeden Ringes mit dessen Ein- und Austrittsflächen einen Winkel ν bildet, der aus den folgenden Formeln ermittelt werden kann:
In dieser Ausführungsform der Erfindung sind die den Reflektor bildenden katadioptrischen Ringe auf einer gemeinsamen Tragschicht ausgebildet, was den Reflektor als ein ganzgepreßtes Teil herzustellen erlaubt, wodurch die Fertigungsgerechtheit des Gerätes gewährleistet wird.In this embodiment of the invention, the catadioptric rings forming the reflector are formed on a common base layer, which allows the reflector to be manufactured as a completely pressed part, thereby ensuring the manufacturing suitability of the device.
In sehr zweckmäßiger Weise schließt der Kollimator eine der Brennebene vorgelagerte ringförmige Sammellinse ein, deren Kreissymmetrieachse über die Kollimatorachse verläuft, wobei die optische Achse ihres Profils durch den gemeinsamen Brennpunkt des Kollimators und dieser Linse unter einem spitzen Winkel zur Kollimatorachse geht und die Ausgangsapertur der Linse mit der Eingangsapertur des Reflektors übereinstimmt, dessen katadioptrische Ringe auf der kegeligen Tragschicht ausgeführt sind, die sich in Richtung der Austrittsöffnung des Kollimators hin verbreitert und eine blinde Öffnung besitzt, deren Durchmesser nicht kleiner als der maximale Durchmesser der ringförmigen Linse ist, während der Winkel ν zwischen der reflektierenden Oberfläche und den Eintrittsflächen der katadioptrischen Ringe mit Hilfe einer folgenden Formel gewählt wird:
- ψ- Kegelwinkel der reflektierenden Oberfläche;
- ϕ- Winkel zwisohen der Kollimatorachse und der optischen Achse des Ringlinsenprofils;
- n - Brechungsindex des Reflektorwerkstoffs.
- ψ- cone angle of the reflective surface;
- ϕ- angle between the collimator axis and the optical axis of the ring lens profile;
- n - refractive index of the reflector material.
In dieser Ausführungsform des Geräts besitzen die katadioptrischen Ringe ein gleiches Profil, was das Entwerfen und Berechnen des optischen Schemas des Gerätes sowie die Herstellung des Preßwerkzeuges für den ganzgepreßten. Reflektor vereinfacht.In this embodiment of the device, the catadioptric rings have the same profile, which means the design and calculation of the optical scheme of the device and the manufacture of the pressing tool for the fully pressed. Simplified reflector.
Gemäß einer der Ausführungsformen der Erfindung ist die blinde Reflektoröffnung von der Seite der Austrittsöffnung des Kollimators ner durch eine scheibenförmige Sammellinse verdeckt, wobei die Verbindungsflächen der Ringe derselben der Kollimatorachse parallel sind.According to one embodiment of the invention, the blind reflector opening is covered from the side of the exit opening of the collimator by a disk-shaped converging lens, the connecting surfaces of the rings of which are parallel to the collimator axis.
Dank der Anwendung einer zusätzlichen Linse im Kollimator, die die blinde Reflektoröffnung verdeckt, wird die Helligkeitsverteilung an der Austrittsöffnung des Gerätes verbessert, weil ein dunkler Fleck in deren Zentrum beseitigt, der Wirkungsgrad aber erhöht wird. Die Lichtstellen von den Verbindungsflächen der Fresnel-Ringe der erwähnten Linse sind zumindest in den axialen Richtungen ausgeschlossen.Thanks to the use of an additional lens in the collimator, which covers the blind reflector opening, the brightness distribution at the outlet opening of the device is improved because a dark spot in the center is removed, but the efficiency is increased. The light spots from the connecting surfaces of the Fresnel rings of the lens mentioned are excluded at least in the axial directions.
Die aus einem transparenten Werkstoff gefertigten Kollimatorteile können neridionale Schlitze aufweisen, die mit einem schwarzen Farbstoff gefüllt sind.The collimator parts made of a transparent material can have neridional slots which are filled with a black dye.
Die in den meridionalen Ebenen liegenden zusätzlichen lichtabsorbierenden Abschnitte tragen zur vollkommenen Beseitigung der Lichtstellen der Auβenbelichtung in den seitlichen Richtungen dank dem erfolgenden Absorbieren von außermeridionalen Strahlen bei. Die Anwendung der schlitzförmig ausgebildeten lichtabsorbierenden Abschnitte vereinfacht die Konstruktion, weil diese absorbierenden Abschnitte nicht als selbständige Teile ausgeführt sind.The additional light-absorbing sections located in the meridional planes contribute to the complete elimination of the light spots of the external exposure in the lateral directions thanks to the absorption of extra-meridional rays. The application of the slit Shaped light-absorbing sections simplifies the construction because these absorbing sections are not designed as separate parts.
Darüber hinaus ist es zweckmäßig, daß der Kegelwinkel der reflektierenden Reflektoroberfläche zweimal so klein wie der Winkel zwischen der Kollimatorachse und der optischen Achse des Ringlinsenprofils und zweimal so groß wie der Winkel zwischen der reflektierenden Oberfläche und den lichtbrechenden Flächen der katadioptrischen Ringe wäre.In addition, it is expedient that the cone angle of the reflecting reflector surface would be twice as small as the angle between the collimator axis and the optical axis of the ring lens profile and twice as large as the angle between the reflecting surface and the light-refracting surfaces of the catadioptric rings.
In diesem Fall wird bei minimalem Werkstoffaufwand für den katadioptrischen kegeligen Reflektor, bedingt durch eine gleichbleibende Tragschichtstärke, ein relativ hoher Wirkungsgrad gewährleistet, der dank der Verwertung der Fresnel-Rückstrahlung des von der Gerätquelle gelieferten Lichtes von den Austrittsflächen der katadioptrischen Ringe zustande kommt.In this case, a relatively high degree of efficiency is ensured with minimal material expenditure for the catadioptric conical reflector, due to a constant base layer thickness, which is achieved thanks to the utilization of the Fresnel reflection of the light supplied by the device source from the exit surfaces of the catadioptric rings.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Austrittsflächen der katadioptrischen Ringe des Reflektors der optischen Achse des Ringlinsenprofils parallel, wobei die Stärke der Reflektortragschicht und die Breite der lichtbrechenden Flächen der Katadioptrischen Ringe in Richtung der Austrittsöffnung des Kollimators abnehmen.According to a further embodiment of the invention, the exit surfaces of the catadioptric rings of the reflector are parallel to the optical axis of the ring lens profile, the thickness of the reflector support layer and the width of the refractive surfaces of the catadioptric rings decreasing in the direction of the exit opening of the collimator.
In dieser Ausführungsform der Erfindung wird dank Vermeidung von Lichtverlusten zwischen den Eintrittsflächen der katadioptrischen Ringe des Gerätes eine maximale Verwertung des von der Lichtquelle gelieferten Lichtstromes, d.h. ein maximaler Wirkungsgrad des Gerätes mit einem katatioptrischen kegeligen Reflektor erzielt.In this embodiment of the invention tadioptrischen rings of the device thanks to avoid light losses between the input surfaces of the k a maximum utilization of the luminous flux delivered by the light source, that is, a maximum efficiency of the device with a conical reflector katatioptrischen achieved.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden eingehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen derselben sowie aus beigefügten Zeichnungen begreifbar; in den Zeichnungen zeigt:
- Fig. 1 eine Variante des Prinzipschemas des Gerätes mit einem Spiegelreflektor, das die Hauptprinzipien seines Aufbaus und seiner Funktion erläutert;
- Fig. 2,3 -Schema eines Verkehrslichtes (jeweils Axialschnitt und Ansicht im Plan) mit stromlinienförmiger Gehäusekonfiguration;
- Fig. 4, 5 ein Schema eines Lichtanzeigers (jeweils Axialschnitt und Ansicht im Plan), der eine informationsrelevante Form der Lichtöffnung besitzt;
- Fig. 6 einen Signalscheinwerfer mit einem klar bestimmten Bereich von Beobachtungsrichtungen, die von den Lichtstellen der Außenbelichtung frei sind;
- Fig. 7 ein Schema des Gerätes mit einem paraboloidischen katadioptrischen Reflektor;
- Fig. 8 ein Prinzipschema, das den Strahlengang im katadioptrischen Reflektor erläutert;
- Fig. 9 eine Ausführungsform von meridionalen lichtabsorbierenden Elementen in Form von schwarzen Schlitzen im Körper des katadioptrischen Reflektors;
- Fig. 10 ein Schema eines Signallichtes mit einer ringförmigen Linse und einem kegeligen katadioptrischen Reflektor;
- Fig. 11 ein Schema des Kollimators mit einem katadioptrischen Reflektor mit veränderlicher Tragschichtstärke.
- Figure 1 shows a variant of the basic scheme of the device with a mirror reflector, which explains the main principles of its structure and its function.
- Fig. 2.3 scheme of a traffic light (each axial section and view in the plan) with a streamlined housing configuration;
- Fig. 4, 5 is a diagram of a light indicator (each axial section and view in the plan), which has an information-relevant form of the light opening;
- 6 shows a signal spotlight with a clearly defined range of observation directions which are free from the light spots of the external exposure;
- 7 shows a diagram of the device with a paraboloidal catadioptric reflector;
- 8 shows a schematic diagram which explains the beam path in the catadioptric reflector;
- 9 shows an embodiment of meridional light-absorbing elements in the form of black slits in the body of the catadioptric reflector;
- 10 shows a diagram of a signal light with an annular lens and a conical catadioptric reflector;
- 11 shows a diagram of the collimator with a catadioptric reflector with variable base layer thickness.
Das Lichtsignalgerät (Fig. 1) enthält eine Lichtquelle 1 (Glühfaden einer elektrischen Lampe), die sich im Brennpunkt F des Kollimators mit einer Achse 00' (sie ist zugleich die Gerätachse) befindet, der in Gestalt eines Reflektors 2 ausgeführt ist, sowie einen Lichtstrahlenabsorber 3. Der Absorber 3 ist als eine schwarze lichtabsorbierende Oberfläche ausgeführt, die außerhalb der meridionalen Ebene unter einem Winkel zu den Brennstrahlen (d.h. den aus dem Brennpunkt F ausgehenden Strahlen) verläuft, indem sie einen Teil des Flusses derselben schneidet, und eine solche Form sowie solche Abmessungen besitzt, daß jeder beliebige Brennstrahl 4, der entgegengesetzt einem Brennstrahl 5 gerichtet ist, welcher auf die Arbeitsfläche des Reflektors 2 einfällt, auf die Oberfläche des Absorbers 3 fällt. Anders gesagt, ist für einen jeden Punkt C des Reflektors 2 auf der Oberfläche des Absorbers 3 ein entsprechender Punkt P vorhanden, und zwar ein solcher, daß die Strahlen FC und FP entgegengesetzt gerichtet sind (es kann nicht gesagt werden, daß die Linie CP stets eine Gerade ist, weil bei Vorhandensein von optisch aktiven Körpern, beispielsweise einer Linse zwischen der Lichtquelle 1 und dem Reflektor 2, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist, die Strahlen ihre Richtung wechseln können).The light signal device (Fig. 1) contains a light source 1 (filament of an electric lamp), which is located in the focal point F of the collimator with an axis 00 '(it is also the device axis), which is designed in the form of a reflector 2, and one Light beam absorber 3. The absorber 3 is designed as a black light-absorbing surface, which extends outside the meridional plane at an angle to the focal rays (ie the rays emanating from the focal point F) by cutting part of the flow thereof and has such a shape and has such dimensions that any
In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist diese Bedingung dadurch erfüllt, daß der Reflektor 2 und der Absorber 3 eine einheitliche Oberfläche über die Innenfläche des Gehäuses bilden, die die Quelle 1 von der Seite her umfaßt, die der Lichtöffnung SS' des Gerätes entgegengesetzt ist, wobei die gesamte reflektierende Oberfläche als ein Teil des Spiegelrotationsparaboloids mit der Achse 00' und einem Brennpunkt F ausgeführt, von der Lichtöffnung SS' des Gerätes (der Eintrittsöffnung des Kollimators) und dem Schnitt des Paraboloids begrenzt ist, der durch Schneiden desselben mit einer Ebene VV'entstanden ist, welche die Kollimatorachse 00' vor dem Brennpunkt F unter einem beliebig gewählten Winkel α (0<α≤ 90°), beispielsweise α = 60°, schneidet. Die Lichtöffnung SS' ist von einem Schutzglas 6 verdeckt, das gleichzeitig die Funktionen eines Lichtfilters erfüllt, dessen zentraler Teil in Gestalt einer Sammellinse 7 ausgeführt sein kann, die die blinde Kollimatoröffnung verdeckt, welche durch Abschneiden der Spitze des Paraboloidspiegels 2 durch die Ebene VV' entstanden ist.In the embodiment according to FIG. 1, this condition is met in that the reflector 2 and the absorber 3 form a uniform surface over the inner surface of the housing, which comprises the source 1 from the side opposite the light opening SS 'of the device , the entire reflecting surface being designed as part of the mirror rotation paraboloid with the axis 00 'and a focal point F, is limited by the light opening SS' of the device (the entry opening of the collimator) and the cut of the paraboloid, which is cut by cutting it with a plane VV 'is created which intersects the collimator axis 00' in front of the focal point F at an arbitrarily selected angle α (0 <α≤ 90 °), for example α = 60 °. The light opening SS 'is covered by a
Das Gerät arbeitet auf die folgende Weise. Die Lichtstrahlen 8, die von der Quelle 1 ausgestrahlt werden und auf den Reflektor 2 einfallen, werden reflektiert und durch eine Lichtöffnung SS' hindurch (unter Gewinnung der jeweils erforderlichen Farbe dank dem Durchgang durch das Lichtfilter 6) entlang der Kollimatorachse 00' (die informationell bedeutsamste Richtung ) als Nutzlichtsignal ausgestrahlt. Ein Teil des Signallichtstromes wird von Strahlen 9 der quelle 1 nach Brechung derselben durch die Linse 7 erzeugt. Dadurch wird ein dunkler Fleck im Zentrum der Lichtöffnung SS' beseitigt. Die Außenbelichtungsstrahlen 10 (beispielsweise von den Kfz.-Scheinwerfern), die entlang der Achse 00' auf den Reflektor einfallen, werden gemäß dem Gesetz der Umkehrbarkeit des optisch-geometrischen Strahlenganges von ihm in Richtung des Brennpunktes F reflektiert und entweder von der Quelle 1 (vom Glühfaden) oder von dem Abschnitt des Absorbers 3 absorbiert, der hinter der Lichtquelle gegenüber dem Rückstrahlungspunkt des Strahls 10 liegt. Die Außenbelichtungsstrahlen 11, die auf den Reflektor 2 unter einem Winkel zur Achse 00'(beispielsweise Strahlen des Sonnen- bzw. Himmellichtes) gelangen, werden ebenfalls entweder auf den Absorber 3 reflektiert oder treten nach einer Reihe von Innenreflexionen im Gerät durch dessen Lichtöffnung SS' unter einem Winkel zur Signalausstrahlungsachse 00' (und zur Signalbeobachtungsachse 00') aus. Die Unmöglichkeit der Entstehung von Lichtstellen durch die Auβenbelichtung vom Reflektor 2 in Richtung der Gerätachse kann man nach dem Prinzip des apagogischen Beweises klarmachen. Angenommen, ein gewisser Strahl 11 von einer externen Quelle tritt nach einer beliebigen Zahl von Reflexionen aus einem Punkt C des Reflektors 2 nicht unter einem Winkel zur Achse 00', sondern parallel zu ihr aus; dann tritt der zu ihm rückwärts gerichtete Strahl nach derselben Reflexionenzahl in der umgekehrten Reihenfolge durch die Lichtöffnung SS' (auf die externe Quelle des Strahls 11) aus, doch kann das nicht sein, weil ein jeder Strahl, der in den Punkt C des Reflektors 2 von außen parallel zur Achse 00' einfällt, in Richtung des Brennpunktes F reflektiert und im entsprechenden Punkt P des Absorbers 3 absorbiert wird. In dieser Weise ist die Hauptbeobachtungsrichtung für die Signale des Geräts entlang der Ausstrahlungsachse 00' derselben gegen die durch die Auβenbelichtung bedingten Lichtstellen geschützt, unabhängig von der Größe des Winkels, unter dem die Außenquellen den Reflektor 2 bestrahlen. Die Entstehung von solchen Lichtstellen ist nur bei einer winkelmäßigen Abweichung der Signalbeobachtungslinie von der Achse 00' möglich. Bei geringer Abweichung entstehen sie von den Zonen des Reflektors 2, die an die blinde Öffnung desselben anliegen. Die Sammellinse 7 lenkt einen erheblichen Teil der Lichtstellen von der Achse 00' ab, aber bei hoher optischer Kraft nimmt die Wahrscheinlichkeit der Entstehung der Lichtstellen von der Linse selber zu.The device works in the following way. The light rays 8, which are emitted by the source 1 and are incident on the reflector 2, are reflected and through a light opening SS '(to obtain the required color thanks to the passage through the light filter 6) along the collimator axis 00' (the informational most important direction) as a useful light signal. A part of the signal luminous flux is generated by
Informationell bedeutsam ist für die meisten Lichtsignalgeräte nicht nur die Richtung entlang der Achse 00', sondern auch die Richtungen in einem gewissen Bereich von Winkeln zur Ausstrahlungsachse, Man kann ihn als dem Nutzstreuwinkel ξ des Gerätes gleich ansehen. Die Vermeidung von falschen Signalen, die durch die Belichtung im gesamten Winkelbereich ξ erzeugt werden, wird mittels der Vergrößerung des Umf assungsminkels der absorbierenden Oberfläche 3 aufgrund einer Verringerung der reflektierenden Oberfläche erreicht, so daß gegenüber einem beliebig gewählten Punkt C des Reflektors 2 (darunter auch jenem am Rand der blinden Öffnung) der den jeweiligen Punkt P einschließende Abschnitt des Absorbers 3 endliche, in bezug auf den Punkt C ausreichend große Winkelabmessungen besitzt, die zu verschiedenen Seiten von der Linie CP nicht kleiner als ξ sind. Im Gerät gemäß Fig. 1 liegt die Schnittebene VV' zu diesem Zweck in einem Abstand V vom Brennpunkt F, welcher Abstand V nach einer folgenden Formel ermittelt wird;
Die erforderliche Erweiterung des Nutzstrahlungsstreuwinkels (bis zum Betrag ξ ) wird im Falle eines idealen Paraboloids entweder durch endliche Abmessungen des Glühfadens 1 oder durch eine Verkleinerung der optischen Kraft der Linse 7 oder aber durch am Scnutzglas 6 bzw. am Reflektor 2 selber vorgesehene lichtstreuende Elemente 12 gewährleistet. Im letzteren Fall kann der Betrag von V bis auf einen Wert von nicht mehr als V = g.sin ( ξ + ξ' ) erhöht werden, wo ξ' den Streuwinkel an den Elementen 12 je nach der Lage derselben bedeutet. Die Streuung innerhalb des Winkels ξ kann auch durch Abweichung der Oberfläche des Spiegelreflektors 2 vom exakten Paraboloid erreicht werden, wozu sein meridionales Profil Abschnitte einschließen soll, die von der mit dem Gerät konfokalen Parabel um einen Winkelbetrag in der Größenordnung von
Unter Beachtung des erforderlichen Streuwinkel: gewinnt die Funktion des Gerätes folgende Besonderheiten. Die von der Quelle 1 emittierten Strahlen 8 und 9 werden vom Kollimator innerhalb des Nutzstreuwinkels ξ entlang der Achse 00' ausgestrahlt. Die Auβenbelichtungsstrahlen 10, die auf einen beliebig gewählten Punkt C des Gerätsreflektors innerhalb des Winkels ξ einfallen, werden in der Umgebung eines entsprechenden Punktes P des Absorbers 3 absorbiert. Die Strahlen 11 von externen Quellen, die in bezug auf die Achse 00' unter einem größeren als ξ Winkel laufen, können nach einer Reihe von Reflexionen das Auftreffen auf den Absorber 3 vermeiden, aber ihre Lichtstellen sind unter Winkeln gerichtet, die den Betrag ξ übersteigen. Also kann das vorgeschlagene Gerätschema für einen beliebigen vorbestimmten Bereich von informätionell bedeutsamen Richtungen derart ausgelegt sein, daß es die Unterdrückung der durch die Außenbelichtung bedingten Lichtstellen in diesen Richtungen stets gewährleisten wird, unabhängig davon, wie verschieden die Außenbelichtungsquellen in bezug auf die Gerätachse 00" angeordnet wären.Taking into account the required scattering angle: the function of the device gains the following special features. The
Der Winkel α zwischen der Achse 00' und der Schnittebene VV' kaan beliebig klein (und sogar gleich Null) sein, verschieden kann auch die Lage der Lichtöffnung SS' und die Form des Schutzglases 6 sein, so daß das Schneiden der Ebene VV' mit der Oberfläche der Lichtöffnung des Gerätes möglich ist. d.h. die Lichtöffnung SS' kann teilweise an den Reflektor 2, teilweise an den Absorber 3 angrenzen. Diese Variante ist im axialen Schnitt und in der Vorderansicht in Fig. 2 und 3 jeweils dargestellt. Die blinde Öffnung im Reflektor 2 (d. h. der innere Teil des Absorbers 3, der entlang der Achse 00' sichtbar ist) wird in diesem Fall zweckmäßigerweise nicht von einer Linse, sondern vom vorderen, gegen die reflektierende Oberfläche eingebogenen Teil des Absorbers 3 verdeckt, was die Laternenabmessungen zu verringern erlaubt, wobei die Lichtöffnung SS' (Fig. 3) eine originelle sichelförmige Gestalt bekommt. Eine verschiedene Neigung der Schnittebene VV' bei verschiedenen Neigungen und Form der Lichtöffnung SS' gewährleistet breite Gestaltungsmöglichkeiten beim Entwerfen von Signallichtern stromlinienförmiger Ausbildung, die zum Befestigen an kompliziert geformten Teilen von Verkehrsmittelaufbauen bestimmt sind. So ist beispielsweise das Schema von Fig. 2, 3 beim Eintwerfen des vorderen Fahrtrichtungsanzeigers in einer gemeinsamen Einheit mit dem Kfz.-Scheinwerfer von Nutzen, bei dem der Rand seines Reflektors 13 in die Konkavität der sichelförmigen Lichtöffnung des Fahrtrichtungsanzeigers hineinragen und der mit demselben eine gemeinsame Linie einer Streuscheibe 14 besitzen kann.The angle α between the axis 00 'and the section plane VV' can be as small as desired (and even zero), the position of the light opening SS 'and the shape of the
Der Kollimator des Gerätes kann aus einzelnen isolierten Spiegeln bestehen und eine Lichtöffnung komplizierter Form besitzen, beispielsweise können isolierte Zonen des Reflektors 2 von meridionalen Ebenen begrenzt sein. In Fig. 4, 5 ist ein Lichtsignalgerät jeweils im axialen Schnitt sowie in der Vorderansicht dargestellt, dessen Reflektor 2 aus drei Zonen eines Spiegelparaboloids besteht, die durch drei meridionalen Ebenen 15 voneinander getrennt sind, welche entlang der Achse 00' unter ein Vielfaches von 60° betragenden Winkeln einander schneiden. Die Zwischenräume zwischen den Zonen des Reflektors 2 und zwischen den Zonen der Lichtöffnung SS', die senkrecht zur Achse 00' gegenüber den Zonen des Reflektors 2 liegen und von einzelnen Abschnitten des Lichtfilters 6 verdeckt sind, sind als lichtabsorbierende Zonen 3 ausgeführt, wobei sie mit den Zonen des Reflektors 2 eine Oberfläche bilden, die die Lichtquelle 1 von der Seite her umfaßt, welche zur Lichtöffnung entgegengesetzt ist.The collimator of the device can consist of individual isolated mirrors and have a light opening of complicated shape, for example isolated zones of the reflector 2 can be delimited by meridional planes. 4, 5, a light signal device is shown in axial section and in front view, the reflector 2 of which consists of three zones of a mirror paraboloid, which are separated from one another by three
Der Strahl 8 der Lichtquelle 1 fällt auf den Reflektor 2 ein und wird durch die Lichtöffnung SS' hindurch ausgestrahlt. Die ins Innere des Gerätes eingeurungenen AuBenbelichtungsstrahlen 10,11 fallen auf den Absorber 3 entweder unmittelbar oder aber nach der Reflexion von den Spiegelzonen 2 ein. Die Lichtöffnung (Fig. 5) besitzt die charakteristische Form des Zeichens "Vorsicht ! Strahlung", was das mögliche Einsatzgebiet der beschriebenen Lichtsignaleinrichtung bedingt. Möglich sind auch andere informationell bedeutsame Lichtöffnungsformen, die für verschiedene Lichtanzeiger, beispielsweise Fußgängerverkehrsampeln, charakteristisch sind, wobei die Lage und Form der reflektierenden und lichtabsorbierenden Zonen im Innern des Gerätes mit der Form der Lichtöffnung SS' abgestimmt sein müssen.The
In Fig. 6 ist ein Signalscheinwerfer mit einem klar abgebildeten Nutzstreuwinkel ± ξ dargestellt. Der Glühfaden 1 einer elektrischen Lampe 16 befindet sich im Brennpunkt F eines Facettenreflektors 2, der vorwiegend aus flachen Spiegeln mit einem Winkelmaß ξ in bezug auf den Punkt F am paraboloidischen Grundkörper besteht. Die Brennebene verläuft vor dem Reflektor 2; der Umfassungswinkel des Reflektors 2 kann 180° erreichen, wenn seine peripheren Spiegel 17 in der meridionalen Ebene das Profil einer Parabel 18 besitzen, deren Brennpunkt B an der Aperturgrenze des Reflektors 2 liegt, während die Achse BB' unter einem Winkel ξ zur Achse 00' des Gerätes verläuft und diese vor der Lichtöffnung SS' dieses Gerätes schneidet. Der Absorber 3 besteht aus einem abgeschnittenen Kegel 19 mit einer Höhe H > D/4 und einem Kegelwinkel ξ , dessen kleinerer Durchmesser an den Rand des Reflektors 2 anliegt, sowie einem Absorptionsbecher 20, der die Lichtquelle 1 mit einem Umfassungswinkel 180° umfaßt. Der Durchmesser d des Bechers wird aus der Bedingung gewählt, daß die Gerade AC, die durch den den vorderen Rand des Kegels 19 und den (hinteren) Rand des Bechers verläuft, den Spiegel 2 unter einem Winkel zur Richtung (aus dem Schnittpunkt C heraus) auf den Brennpunkt F hin schneidet, welcher Winkel nicht kleiner als ξ ist, wobei unter anderen ein Wert zulässig ist, der aus den folgenden Gleichungen ermittelt werden kann:
Die den Gleichungen (2) genügende Ausführungsform des Scheinwerfers, die zur Anwendung in den Straßenverkehrsampeln bestimmt ist, kann folgende Parameter besitzen: ξ ≈ 10°, ξ ≈ 0 (in der Umgebung des Punktes C ist der Spiegel streng parabolisch); H = D/3; d = D/5. Das Schutzglas 6, das gleichzeitig die Funktionen eines Lichtfilters erfüllt, besitzt eine Rotationsflächenform, die durch Drehen eines der Zweige einer Parabel 21(um die Rotationsachse 00' des Gerätes) entstanden ist, deren Achse AB entlang der Erzeugenden des Kegels 19 (unter einem Winkel ξ zur Achse 00') verläuft, während der Brennpunkt A und der Pol B jeweils am vorderen und hinteren Rand desselben liegen. Das Schutzglas 6 tritt über den Vorderrand des Absorbers 3, der hier als ein Gehäuseteil betrachtet wird, nicht hinaus gemäß der Beziehung
Das Gerät (Fig. 6) arbeitet auf die folgende Weise. Die auf den Reflektor 2 einfallenden Strahlen 8 der Quelle 1 werden in den informationell bedeutsamen Richtungen ausgestrahlt. Der Facettenreflektor 2 gewährleistet ein gleichmäßiges Leuchten über die Lichtöffnungsoberfläche in einer beliebigen Richtung innerhalb eines Bereiohes ± ξ . Die Außenbelichtungsstrahlen 10, die mit der Achse 00' einen als kleineren Winkel bilden, werden vom Spiegel 2 auf die Oberfläche des Absorbers 3 gemäß der Gerätkonstruktion reflektiert. Die Außenstrahlen 11, die mit der Achse 00' einen als ξ größeren Winkel bilden, werden entweder unter als größeren Winkeln zur Achse 00', d.h. außerhalb des Bereiches der informationell bedeutsamen Richtungen, reflektiert oder aber auch im Innern des Gerätes absorbiert. Ein apagogischer Beweis sieht so aus: abgenommen, eine Lichtstelle von einer externen Quelle tritt nach einer beliebigen Innenreflexionenzahl aus einem Spiegelpunkt unter einem als ξ kleineren Winkel zur Achse 00' heraus; dann würde gemäß dem Umkehrbarkeitsprinzip, das für die optisch-geometrischen Strahlen gilt, der umgekehrte Strahl ebenfalls aus dem Gerät (zur externen Quelle hin) austreten, was aber der Konstruktion des Gerätes wiederspricht (der umgekehrte Strahl fällt auf den Absorber ein). Die durch externe Quellen bedingten Fresnel-Lichtstellen vom Schutzglas 6 gemäß Fig. 6 sind ebenfalls nur in den Richtungen möglich, die mit der Achse 00' einen ξ größeren Winkel bilden, weil die Richtungen 22, in denen das Schutzglas 6 informationell bedeutsam reflektiert, vom Absorber 19 verdeckt sind.The device (Fig. 6) operates in the following way. The
Das Gerät gemäß Fig. 6 gewährleistet bei relativ geringen axialen Abmessungen einen (für die Antiphantom--Geräte) höchsten Wirkungsgrad (bis zu 50%) sowie die Beseitigung des Phantom-Effektes in einem streng begrenzten Bereich der informationell bedeutsamen Richtungen. Ein vorzugsweises Einsatzgebiet desselben sind Lichtsignale mittlerer und großer Reichweite.The device according to FIG. 6 ensures, with relatively small axial dimensions, a maximum efficiency (for the antiphantom devices) (up to 50%) as well as the elimination of the phantom effect in a strictly limited area of the informationally important directions. A preferred area of application is light signals of medium and long range.
Der Kollimator des Lichtsignalgerates, der in den im vorstehenden beschriebenen Varianten (Fig. 1 bis 6) einen Spiegelreflektor 2 darstellte, d.h. durch Auftragen eines undurchsichtigen metällischen Überzuges auf die optisch glatte Oberfläche herstellt wurde, kann in Gestalt eines katadioptrischen Reflektors ausgeführt, und zwar aus einem transparenten Werkstoff beliebiger Farbe in Form von prismatischen Elementen mit Totalreflexion hergestellt sein. Diese Ausführung schließt den Bedarf an einer Spiegelschicht aus und erteilt diesem Reflektor die Funktion eines Lichtfilters (durch dessen Herstellung aus einem in der Farbe des jeweiligen Signals gefärbten Werkstoff), außerdem gestattet der katadioptrische Reflektor, die Außenbelichtungshelligkeit unter großen Winkeln zur Gerätachse zu vermindern. Dies wird dadurch möglich, weil die Totalreflexion im Gegensatz zur Spiegelreflexion nur im begrenzten Winkelbereich stattfindet, und die auf die reflektierende Oberfläche unter einem als der Grenzwinkel kleineren Winkel einfallenden Strahlen leuchten ohne Reflexion durch dieselbe hindurch und können von einem hinter dem katadioptrischen Reflektor angeordneten zusätzlichen Absorber absorbiert werden.The collimator of the light signal device, which in the variants described above (FIGS. 1 to 6) represented a specular reflector 2, ie was produced by applying an opaque metallic coating to the optically smooth surface, can be designed in the form of a catadioptric reflector, namely from a transparent material of any color in the form of prismatic elements with total reflection. This version eliminates the need for a game gel layer and gives this reflector the function of a light filter (by producing it from a material colored in the color of the respective signal), and the catadioptric reflector also allows the outside exposure brightness to be reduced at large angles to the device axis. This is possible because, in contrast to specular reflection, the total reflection only takes place in a limited angular range, and the rays incident on the reflecting surface at an angle smaller than the critical angle shine through it without reflection and can be obtained from an additional absorber arranged behind the catadioptric reflector be absorbed.
Das Gerät gemäß Fig. 7 besteht aus einer Lichtquelle 1, die sich im Brennpunkt F auf der Achse 00' des Gerätes befindet, einem katadioptrischen Reflektor 2, der eine Totalreflexion der Brennstrahlen auf die Austrittsöffnung SS' gewährleistet, und einem Lichtstrahlenabsorber 3, der an der Innenfläche des Gerätgehäuses ausgeführt ist und sowohl die Quelle 1 wie auch den Reflektor 2 von der Seite her umfaßt, die zur Austrittsöffnung SS' entgegengesetzt ist. Der Reflektor 2 besteht aus in bezug auf die Achse 00' rundsymmetrischen katadioptrischen Ringen 23, die an einer gemeinsamen Tragschicht ausgeführt sind, welche sich in Richtung der Lichtöffnung SS' hin verbreitert. Jeder Ring 23 besitzt das Profil eines Prismenkeils (Fig.8), das eine lichtbrechende Eintrittsfläche 24, eine Totalreflexionsfläche 25 und eine lichtbrechende Austrittsfläche 26 besitzt. Die Flächen 24, 26 sind an der inneren, die Flächen 25 aber an der äußeren Tragschichtoberfläche ausgeführt. Auf der Seite seines schmaleren Teiles weist der Reflektor 2 (genauer sein Arbeitsbereich) eine blinde Öffnung auf, deren Ebene VV' in der Brennebene des Kollimators bzw. etwas vor derselben, in einem Abstand V von ihr liegt. Somit ist die gesamte lichtreflektierende Oberfläche des Kollimators vor dessen Brennebene angeordnet.7 consists of a light source 1, which is located in the focal point F on the axis 00 'of the device, a catadioptric reflector 2, which ensures total reflection of the focal rays onto the outlet opening SS', and a light beam absorber 3, which is on The inner surface of the device housing is designed and includes both the source 1 and the reflector 2 from the side, which is opposite to the outlet opening SS '. The reflector 2 consists of
Das Profil eines jeden Ringes 23 entspricht der in Fig. 8 erläuterten Bedingung: die Normale NN' zur Fläche 25 des Ringes 23 soll einen als der Totalreflexionsgrenzwinkel nicht kleineren Winkel γ mit dem Brennstrahl 5 (d.h. dem Strahl der Quelle 1 nach dessen Brechen durch die Fläche 24) sowie einen als der Grenzwinkel kleineren Winkel ω mit dem Strahl betragen, der zwei diametral entgegengesetzte Punkte an der reflektierenden Oberfläche des Ringes 23 (auch unter Beachtung des Richt ungswechsels an den lichtbrechenden Flächen) verbindet, und zwar gemäß der Beziehung
Für die zur Ebene der blinden Öffnung nahen Ringe 23 bedeutet dies bei ϑ → 0, ω → γ, daß zumindest die zur Brennebene nehen Zonen des Reflektors 2 für eine Funktion unter dem Grenztotalreflexionswinkel ausgelegt sein sollen.For the
Die Erfüllung der Bedingung (4) schließt zumindest für die meridionalen Strahlen die Möglichkeit einer zweifachen Reflexion vom Reflektor 2 aus, die einfache Reflexion der Außenbelichtungsstrahlen führt aber zum Einfallen derselben auf den Absorber 3 in der Zone der blinden Öffnung bzw. in einer Zone, die den Reflektor 2 umfaßt. Der katadioptrische Reflektor 2 des Gerätes von Fig. 7 ist auf der paraboloidischen Tragschicht mit der durch die Ebene VV' abgeschnittenen Spitze ausgeführt, welche Tragschicht mit dem Kollimator achsgleich und konfokal liegt. Die lichtbrechenden Flächen 24 und 26 bilden mit der reflektierenden Oberfläche, die ein paraboloidisches Profil aufweist, einen gleichen Winkel ν, der für die von der Brennebene entfernt liegenden Ringe 23 gemäß der Beziehung (4) in recht weiten Grenzen gewählt werden kann. Der maximale Wert
wo ϕ den Winkel zwischen dem auf den katadioptrischen Ring 23 einfallenden Brennstrahl 23 und der Achse 00' bedeutet, entspricht dem Grenztotalreflexionswinkel für alle Brennstrahlen, wobei dieser Wert ν für die Unterdrükkung der Außenbelichtung optimal ist, aber mit erheblichen Verlusten der Nutzstrahlung zwischen den benachbarten Eintrittsflächen zusammenhängt. Optimal ist die Variante, bei der
Die Breite der Flächen 24, 26 verschiedener katadioptrischer Ringe 23 ist bei gleichbleibender stärke der Tragschicht des Reflektors 2 unterschiedlich (dies ist für Übereinstimmung der Aperturen der Flächen 24, 25 und 26 notwendig) und wird mit Hilfe folgender Formeln berechnet:
- b - Halbmertsbreite des katadioptrischen Ringes;
- h - Stärke der Tragschicht des Reflektors.
- b - half-width of the catadioptric ring;
- h - thickness of the base layer of the reflector.
Zur Beseitigung der Lichtstellen von der passiven hinteren Stirnfläche der Tragschicht des Reflektors 2 ist das Profil dieser Stirnfläohe in Gestalt eines spitzwinkligen Keiles 27 ausgeführt, dessen Flächen mit der Achse 00' einen Winkel in der Größenordnung von 25° und weniger bilden.To eliminate the light spots from the passive rear end face of the base layer of the reflector 2, the profile of this end face is designed in the form of an acute-angled
Der Kollimator des Gerätes kann eine Sammellinse 7 einschließen, die die blinde Öffnung des Reflektors 2 verdeckt und ins Innere desselben eingetieft ist. Ein zylindrischer Absorber 28, der gleichachsig zum Kollimator vor der Linse 7 (es können mehrere, ineinander eingebaute Absorber vorhanden sein) angeordnet ist, unterdrückt, ohne die Nutzstrahlen von dem Kollimator zu verdecken, die Lichtstellen von der Fresnel-Weitwinkellinse 7. Beim Vorhandensein der Fresnel-Ringe der Linse 7 an der Vorderseite der Tragschicht müssen die Verbindungsflächen 29 dieser Ringe parallel zur Achse 00' liegen. Diese Ausführung der Linse 7 schließt die Lichtstellen von den Verbindungsflächen 29 zumindest in der axialen Richtung aus.The collimator of the device can include a converging lens 7, which covers the blind opening of the reflector 2 and is recessed inside the same. A
Die Austrittsöffnung des Kollimators ist vom Schutzglas 6 verdeckt, das farblos sein kann, wenn der Reflektor 2 und die Linse 7 aus einem gemäß der Signalfarbe gefärbten Werkstoff gefertigt sind. Das Schutzglas 6 kann Streuelemente 12 enthalten.The exit opening of the collimator is covered by the
Das Gerät gemäß Fig. 7, 8 arbeitet auf die folgende Weise. Die Strahlen 5 von der Lichtquelle 1, die auf die Eintrittsflächen 24 der katadioptrischen Ringe 23 einfallen, werden gebrochen und fallen auf die Fläche 25 unter einem Winkel γ ein, der der Beziehung (4) entspricht, werden vollständig reflektiert und, nachdem sie an der Austrittsfläche 26 gebrochen worden sind, in Form von Strahlen 8 durch das Glas 6 hindurch entlang der Achse 00' ausgestrahlt. Einen kleineren Teil des Kollimatorlichtstromes machen die von der Quelle 1 kommenden Strahlen 9 aus, die von der Linse 7 gebrochen werden. Die Außenbelichtungsstrahlen 10, die mit der Achse 00' einen kleinen Winkel bilden, fallen, nachdem sie vom Reflektor 2 reflektiert bzw. von der Linse 7 gebrochen worden sind, durch die blinde Öffnung des Reflektors 2 hindurch auf den zentralen Teil des Absorbers 3 ein. Die die Achse 00' unter einem großen Winkel schneidenden Außenbelichtungsstrahlen 11 leuchten, nachdem sie nicht mehr als eine einzige Reflexion erfahren haben, durch die reflektierende Oberfläche (Flächen 25) gemäß der Beziehung (4) hindurch und werden von der den Reflektor 2 umfassenden Zone des Absorbers 3 absorbiert. Beim Vorhandensein des zylindrischen Absorbers 28 wird ein Teil der Strahlen 11 von demselben absorbiert.7, 8 operates in the following manner. The
Wenn der AuBenstrahl 11 nicht in der meridionalen Ebene liegt, so kann er je nach dem Abweichungsgrad von derselben sowie der Größe des Winkels γ an den Fallstellen des Strahles auf den Reflektor 2 und je nach der Krümmung des katadioptrischen Ringes 23 mehr als eine Reflexion erfahren und durch die Lichtöffnung SS' hindurch unter einem bestimmten Winkel zur Ausstrahlungsachse 00' austreten. Solche Strahlen werden meist von den meridionalen Absorptionsplatten unterdrückt. Anstatt der Platten als einzelne Bestandteile des Gerätes können in der Konstruktion des katadioptrischen Reflektors 2 (und anderen aus transparentem Werkstoff bestehenden Kollimatorelementen, bei denen der Brennstrahl die Ebene der Achse 00' nicht verläßt) meridionale Schlitze 30 vorgesehen sein, welche mit einem schwarzen Farbstoff gefüllt sind, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist, wo der Reflektor 2 des Gerätes gemäß Fig. 7 von der der blinden Öffnung her gezeigt ist. Der Farbstoff soll in optischem Kontakt mit dem Werkstoff des Reflektors 2 stehen, d.h. die Totalreflexion von der Innenfläche des Schlitzes (da dieser sonst nur Schaden und keinen Nutzen bringt) verhindern.If the
Der Einfluß der außermeridionalen Außenbelichtungsstrahlen auf den Signalkontrast ist sehr gering, sofern
In den Kollimatoren von Fig. 10, 11 besitzt der Reflektor 2 die Form eines abgeschnittenen Kegels mit einem Kegelwinkei ψ und ist durch eine der Brennebene vorgelagerte ringförmige Sammellinse 31 vervollständigt, deren Durchmesser den Durchmesser der im Reflektor 2 (im schmaleren Kegelteil) vorhandenen blinden Öffnung nicht übersteigt. Die Achse FE des Profils der Linse 31 verläuft durch einen gemeinsamen Brennpunkt F des Kollimators und dieser Linse unter einem Winkel ϕ zur Achse 00' des Kollimators, der 90° Licht übersteigt, und schneidet den Reflektor 2. Parallel zu dieser Achse verlaufen sämtliche aus des. Punkt F austretenden und von der Linse 31 gebrochenen Strahlen 5, wodurch verschiedene katadioptrische Ringe 23 des Reflektors 2 ein gleiches (Fig. 10) bzw. ein ähnliches (Fig. 11) Profil besitzen können, das dem rechten Grenzwert der Formel (4) entspricht, da hier die Beziehung
- ν - Winkel zwischen der Eintrittsfläche und der reflektierenden Fläche jeses Ringes;
- n - Brechungsindex des Werkstoffes des Reflektors 2.
- ν - angle between the entrance surface and the reflecting surface of that ring;
- n - refractive index of the material of the reflector 2.
Der Reflektor des Kollimators von Fig. 10 besitzt eine gleichbleibende Stärke h der Tragschicht, ψ = 2 ψ , wobei ein Fall von besonderem Interesse ist, wenn
im Kollimator von Fig. 11 sind dank dem Verzicht auf die gleichbleibende Stärke der Tragschicht die Lichtstromverluste zwischen den benachbarten katadioptrischen Ringen 23 beseitigt, da die Flächen 26 in diesem Fall zur Achse des Profils der Linse 31 parallel sind; dabei gilt
Die blinde Öffnung des kegeligen Reflektors 2, deren Rand praktisch am Innenrand der Austrittsfläche 26 des von der Brennebene her ersten katadioptrischen Ringes 23 (Fig. 11) liegt, kann durch einen zusätzlichen Absorber bzw. eine Sammellinse 7 verdeckt werden. Die Linse 7 kann mit dem farblosen Streuer 6 bei einem farblosen Reflektor 2 vereinigt werden, und die erforderliche Signalfarbe wird durch die Verwendung eines Lichtfilters 33 in Gestalt einer die Lichtquelle 1 von vorn umfassenden Kappe erreicht. In der Einrichtung von Fig.10 ist die ringförmige Linse 31 mit der Seitenfläche des Lichtfilters 33 vereinigt.The blind opening of the conical reflector 2, the edge of which lies practically on the inner edge of the
Die Anwendung einer ringförmigen Linse 31 mit einem kegeligen Reflektor 2 vereinfacht die Fertigung des für die Herstellung des Reflektors 2 erforderlichen Preßwerkzeuges und ermöglicht eine Erhöhung des Wirkungsgrades des von der Lichtquelle 1 kommenden Lichtstromes bei begrenzten axialen Abmessungen des Gerätes.The use of an
Das Schema von Fig. 7 ist vorzugsweise für Lichtsignale mittlerer und großer Reichweite bestimmt; die Schemas von Fig. 10 und 11 sind vorzugsweise in den Verkehrssignallichtern angewendet.The scheme of Fig. 7 is preferably intended for medium and long range light signals; 10 and 11 are preferably applied in the traffic signal lights.
Zur Vermeidung eines axialen Phantom-Effektes seitens des Glaskolbens der jeweiligen elektrischen Lichtquelle soll man bei jedem Kollimator große Kolbenabmessungen mit einer von der sphärischen (mit dem Glühfaden in der Sphärenmitte) maximal verschiedenen Form anstreben. Die Normale NN' zur Glaskolbenoberfläche, die in den Schnittstellen derselben durch die auf die effektivsten Reflektorzonen einfallenden Brennstrahlen aufgestellt ist, muß unter einem maximalen Winkel µ(siehe Fig. 6) zu diesen Strahlen verlaufen, der garantiert größer als der Betrag ξ /12 ist, wo ξ den Nutzstremwinkel des Gerätes bedeutet.In order to avoid an axial phantom effect on the part of the glass bulb of the respective electric light source, one should aim for large piston dimensions with a shape that is maximally different from the spherical one (with the filament in the center of the sphere) for each collimator. The normal NN 'to the glass bulb surface, which is set up in the interfaces of the same by the focal rays incident on the most effective reflector zones, must run at a maximum angle μ (see FIG. 6) to these rays, which is guaranteed to be greater than the amount ξ / 12 , where ξ means the effective angle of the device.
Die vorliegende Erfindung kann in Lichtsignalgeräten gerichteter Wirkung angewendet werden, die unter Bedingungen einer Auβenbelichtung (Sonnen- und Himmelslicht sowie von sonstigen Quellen) funktionieren, d.h. in den Verkehrssignallichtern, beispielsweise in Kfz-Fahrtrich- tungsanzeigern und Bremslichtern, sowie in Verkehrsampeln und Eisenbahnlichtsignalen.The present invention may be applied in light signal devices directed effect that under conditions of Auβenbelichtung (sun and sky light, as well as other sources) function, that is, tung indicators and brake lights, as well as in traffic lights and railway light signals in the traffic signal lights, for example in automotive F a hrtrich- .
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